تركيب تعديل التردد

تركيب FM باستخدام مشغلين

نغمة حاملة بتردد 220 هرتز f c معدلة بنغمة معدلة بتردد 440 هرتز f m ، مع خيارات مختلفة لمؤشر تعديل التردد ، β . تم توضيح إشارات المجال الزمني أعلاه، والأطياف المقابلة موضحة أدناه (سعات الطيف بالديسيبل ).

أشكال الموجة لكل β

الأطياف لكل β

إن تركيب التضمين الترددي (أو تركيب FM ) هو شكل من أشكال تركيب الصوت حيث يتم تغيير تردد الشكل الموجي عن طريق تعديل تردده باستخدام جهاز تعديل. يتم تغيير التردد (اللحظي) للمذبذب وفقًا لسعة إشارة التعديل. ^[1]

يمكن أن ينتج عن التوليف الترددي أصوات متناغمة وغير متناغمة . ولتكوين أصوات متناغمة، يجب أن تكون للإشارة المعدلة علاقة متناغمة مع إشارة الموجة الحاملة الأصلية. ومع زيادة مقدار التضمين الترددي، يصبح الصوت معقدًا بشكل تدريجي. ومن خلال استخدام أجهزة تعديل بترددات مضاعفات غير صحيحة لإشارة الموجة الحاملة (أي غير متناغمة)، يمكن إنشاء أطياف جرسية وإيقاعية غير متناغمة.

قد يؤدي استخدام المذبذبات التناظرية إلى عدم استقرار درجة الصوت. ^[2] ومع ذلك، يمكن أيضًا تنفيذ توليف FM رقميًا، وهو أكثر استقرارًا وأصبح ممارسة قياسية. كان توليف FM الرقمي (المكافئ لتعديل الطور باستخدام التكامل الزمني للتردد اللحظي ) هو الأساس للعديد من الآلات الموسيقية بدءًا من عام 1974. قامت ياماها ببناء أول نموذج أولي لمزج رقمي في عام 1974، استنادًا إلى توليف FM، ^[3] قبل إطلاق Yamaha GS-1 تجاريًا في عام 1980. ^[4] تضمن Synclavier I ، الذي صنعته شركة New England Digital Corporation بدءًا من عام 1978، مركب FM رقمي، باستخدام خوارزمية توليف FM مرخصة من Yamaha. ^{[5] جلب مركب} Yamaha DX7 الرائد من ياماها ، والذي تم إصداره في عام 1983، FM إلى طليعة التوليف في منتصف الثمانينيات. ^[6]

كما أصبح تركيب FM هو الإعداد المعتاد للألعاب والبرامج حتى منتصف التسعينيات. بالنسبة للأنظمة المتوافقة مع أجهزة الكمبيوتر IBM ، فإن بطاقات الصوت مثل AdLib و Sound Blaster جعلت شرائح Yamaha شائعة مثل OPL2 و OPL3 . تستخدم أجهزة الكمبيوتر الأخرى مثل Sharp X68000 و MSX ( وحدة كمبيوتر Yamaha CX5M ) شريحة الصوت OPM (التي كانت تستخدم أيضًا بشكل شائع لأجهزة الأركيد حتى منتصف التسعينيات) مع وحدات CX5M اللاحقة التي تستخدم شريحة الصوت OPP ، وتستخدم أجهزة الكمبيوتر NEC PC-88 و PC-98 OPN و OPNA . بالنسبة لأنظمة الأركيد وأجهزة الألعاب، تم استخدام OPNB كلوحة توليد صوت أساسية رئيسية في لوحات الأركيد الخاصة بشركة Taito (مع استخدام متغير من OPNB في نظام Taito Z ) واستُخدم بشكل ملحوظ في أجهزة الأركيد Neo Geo (MVS) وأجهزة التحكم المنزلية (AES) الخاصة بشركة SNK . تم استخدام OPN2 ذات الصلة في Mega Drive (Genesis) من Sega و FM Towns Marty من Fujitsu كواحدة من شرائح توليد الصوت. طوال العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، تم استخدام توليف FM أيضًا على مجموعة واسعة من الهواتف لتشغيل نغمات الرنين والأصوات الأخرى، عادةً بتنسيق Yamaha SMAF .

قام دون بوخلا بتنفيذ FM على أدواته في منتصف الستينيات، قبل براءة اختراع تشاونينج. كانت وحدات المذبذب المزدوج 158 و258 و259 الخاصة به تحتوي على مدخل جهد تحكم FM محدد، ^[7] وكان الطراز 208 (حامل الموسيقى) يحتوي على مذبذب تعديل سلكي للسماح بـ FM بالإضافة إلى AM للمذبذب الأساسي. ^[8] استخدمت هذه التطبيقات المبكرة المذبذبات التناظرية، وتبع هذه القدرة أيضًا أجهزة توليف معيارية أخرى وأجهزة توليف محمولة بما في ذلك Minimoog و ARP Odyssey .

بحلول منتصف القرن العشرين، كان التضمين الترددي (FM)، وهو وسيلة لنقل الصوت، مفهومًا منذ عقود من الزمان وكان يُستخدم لبث الإرسال اللاسلكي . تم تطوير التوليف FM منذ عام 1967 في جامعة ستانفورد ، كاليفورنيا، بواسطة جون تشاونينج ، الذي كان يحاول إنشاء أصوات مختلفة عن التوليف التناظري ^{[ بحاجة لمصدر ]} . تم ترخيص خوارزميته ^{[ بحاجة لمصدر ]} لشركة ياماها اليابانية في عام 1973. ^[3] يعتمد التنفيذ الذي تم تسويقه بواسطة ياماها (براءة اختراع الولايات المتحدة 4018121 أبريل 1977 ^[9] أو براءة اختراع الولايات المتحدة 4,018,121 ^[10] ) في الواقع على التضمين الطوري ^{[ بحاجة لمصدر ]} ، لكن النتائج تنتهي إلى أن تكون متكافئة رياضيًا حيث أن كلاهما في الأساس حالة خاصة من التضمين التربيعي ^{[ بحاجة لمصدر ]} . ^[11]

بدأ مهندسو ياماها في تكييف خوارزمية تشاونينج لاستخدامها في مركب رقمي تجاري، مضيفين تحسينات مثل طريقة "تدرج المفتاح" لتجنب إدخال التشويه الذي يحدث عادةً في الأنظمة التناظرية أثناء تعديل التردد ^{[ بحاجة لمصدر ]} ، على الرغم من أن الأمر سيستغرق عدة سنوات قبل أن تطلق ياماها مركبها الرقمي FM. ^[12] في السبعينيات، حصلت ياماها على عدد من براءات الاختراع، تحت الاسم السابق للشركة "Nippon Gakki Seizo Kabushiki Kaisha"، مما أدى إلى تطوير عمل تشاونينج. ^[10] قامت ياماها ببناء أول نموذج أولي لمركب رقمي FM في عام 1974. ^[3] قامت ياماها في النهاية بتسويق تقنية توليف FM مع Yamaha GS-1، أول مركب رقمي FM، والذي تم إصداره في عام 1980. ^[4]

كان توليف FM هو الأساس لبعض الأجيال المبكرة من أجهزة التوليف الرقمية ، وأبرزها تلك التي أنتجتها شركة ياماها، بالإضافة إلى شركة New England Digital Corporation بموجب ترخيص من شركة ياماها. ^{[5] كان جهاز توليف} DX7 من ياماها ، الذي صدر في عام 1983، منتشرًا في كل مكان طوال الثمانينيات. قدمت العديد من النماذج الأخرى من ياماها اختلافات وتطورات في توليف FM خلال ذلك العقد. ^[13]

حصلت شركة ياماها على براءة اختراع لتنفيذها للأجهزة الخاصة بتقنية FM في سبعينيات القرن العشرين، ^[10] مما سمح لها باحتكار سوق تقنية FM تقريبًا حتى منتصف تسعينيات القرن العشرين.

طورت شركة كاسيو شكلاً مشابهًا من أشكال التوليف يسمى توليف التشوه الطوري ، والذي يستخدم في مجموعة CZ من أجهزة التوليف . كان يتمتع بجودة صوت مماثلة (ولكن مختلفة قليلاً) لسلسلة DX.

مع انتهاء صلاحية براءة اختراع جامعة ستانفورد FM في عام 1995، يمكن الآن تنفيذ التوليف الرقمي FM بحرية من قبل الشركات المصنعة الأخرى. جلبت براءة اختراع توليف FM لجامعة ستانفورد 20 مليون دولار قبل انتهاء صلاحيتها، مما يجعلها (في عام 1994) "ثاني أكثر اتفاقية ترخيص مربحة في تاريخ ستانفورد". ^[14] يوجد FM اليوم في الغالب في أجهزة التوليف القائمة على البرامج مثل FM8 من Native Instruments أو Sytrus من Image-Line ، ولكن تم دمجه أيضًا في ذخيرة التوليف لبعض أجهزة التوليف الرقمية الحديثة، وعادةً ما يتعايش كخيار جنبًا إلى جنب مع طرق أخرى للتوليف مثل التوليف الطرحي والتوليف القائم على العينة والتوليف الإضافي وتقنيات أخرى. قد تتنوع درجة تعقيد FM في مثل هذه الأجهزة من FM بسيط مكون من مشغلين، إلى محركات 6 مشغلين عالية المرونة في Korg Kronos و Alesis Fusion ، إلى إنشاء FM في محركات معيارية على نطاق واسع مثل تلك الموجودة في أحدث أجهزة التوليف من Kurzweil Music Systems . ^{[ بحاجة لمصدر ]}

اختفت من الأسواق أجهزة توليف جديدة تم تسويقها خصيصًا لقدراتها على FM بعد إصدار Yamaha SY99 ^[15] و FS1R ، ^[16] وحتى تلك التي تم تسويق قدراتها القوية للغاية على FM كنظيرات للتوليف القائم على العينة والتوليف المكوِّن على التوالي. ومع ذلك، فإن خيارات توليف FM المتطورة جيدًا هي سمة من سمات أجهزة توليف Nord Lead التي تصنعها Clavia، ومجموعة Alesis Fusion ، و Korg Oasys و Kronos وModor NF-1. تقدم العديد من أجهزة التوليف الأخرى قدرات FM محدودة لتكملة محركاتها الرئيسية. ^{[ بحاجة لمصدر ]}

بدأ الجمع بين مجموعات من 8 مشغلات FM مع أشكال الموجة متعددة الأطياف في عام 1999 بواسطة Yamaha في FS1R. كان لدى FS1R 16 مشغلًا، 8 مشغلين FM قياسيين و8 مشغلين إضافيين يستخدمون مصدر ضوضاء بدلاً من مذبذب كمصدر للصوت. من خلال إضافة مصادر ضوضاء قابلة للضبط، يمكن لـ FS1R نمذجة الأصوات المنتجة في الصوت البشري وفي آلة النفخ، جنبًا إلى جنب مع إصدار أصوات آلات الإيقاع. يحتوي FS1R أيضًا على شكل موجة إضافي يسمى شكل موجة Formant. يمكن استخدام Formants لنمذجة أصوات الآلات الجسدية الرنانة مثل التشيلو أو الكمان أو الجيتار الصوتي أو الباسون أو البوق الإنجليزي أو الصوت البشري. يمكن العثور على Formants حتى في الطيف التوافقي للعديد من الآلات النحاسية. ^[17]

This section needs expansion. You can help by adding to it. (February 2023)

في عام 2016، أصدرت كورج Korg Volca FM، وهو تكرار FM بثلاثة أصوات وستة مشغلين لسلسلة Korg Volca من وحدات سطح المكتب المدمجة وبأسعار معقولة. ^[18] وفي الآونة الأخيرة، أصدرت كورج opsix (2020) وopsix SE (2023) التي تدمج توليف FM بستة مشغلين مع النمذجة الطرحية والتناظرية والجمعية وشبه المعيارية وتشكيل الموجات. أصدرت ياماها Montage ، الذي يجمع بين محرك قائم على عينة مكون من 128 صوتًا ومحرك FM مكون من 128 صوتًا. يُطلق على هذا التكرار من FM اسم FM-X، ويضم 8 مشغلين؛ يتمتع كل مشغل باختيار من بين عدة أشكال موجية أساسية، ولكن كل شكل موجة يحتوي على عدة معلمات لضبط طيفها. ^[19] تبع Yamaha Montage إصدار Yamaha MODX الأكثر تكلفة في عام 2018، مع بنية FM-X مكونة من 64 صوتًا و8 مشغلين بالإضافة إلى محرك قائم على عينة مكون من 128 صوتًا. ^[20] أطلقت شركة Elektron في عام 2018 جهاز Digitone ، وهو جهاز توليف FM بثمانية أصوات وأربعة مشغلين يتميز بمحرك التسلسل الشهير من Elektron. ^[21]

تم تقديم توليف FM-X مع أجهزة توليف Yamaha Montage في عام 2016. يستخدم FM-X 8 مشغلين. يحتوي كل مشغل FM-X على مجموعة من أشكال الموجة متعددة الأطياف للاختيار من بينها، مما يعني أن كل مشغل FM-X يمكن أن يكون معادلاً لمجموعة من 3 أو 4 مشغلي FM DX7. تتضمن قائمة أشكال الموجة القابلة للاختيار موجات جيبية، وأشكال موجة All1 وAll2، وأشكال موجة Odd1 وOdd2، وأشكال موجة Res1 وRes2. يعمل اختيار الموجة الجيبية بنفس طريقة أشكال موجة DX7. أشكال الموجة All1 وAll2 هي شكل موجة منشارية. أشكال الموجة Odd1 وOdd2 هي موجات نبضية أو مربعة. يمكن استخدام هذين النوعين من أشكال الموجة لنمذجة القمم التوافقية الأساسية في الجزء السفلي من الطيف التوافقي لمعظم الآلات. تنقل أشكال الموجة Res1 وRes2 الذروة الطيفية إلى توافقية محددة ويمكن استخدامها لنمذجة مجموعات مثلثة أو مستديرة من التوافقيات أعلى في طيف الآلة. يمكن أن يؤدي الجمع بين شكل الموجة All1 أو Odd1 مع أشكال موجة Res1 (أو Res2) المتعددة (وضبط سعاتها) إلى نمذجة الطيف التوافقي لآلة أو صوت. ^{[17] [ بحاجة لمصدر ]}

هناك العديد من الاختلافات في توليف FM، بما في ذلك:

• ترتيبات المشغل المتنوعة (المعروفة باسم "خوارزميات FM" في مصطلحات ياماها)
  • 2 مشغلين
  • FM متسلسل (مراحل متعددة)
  • FM متوازي (معدّلات متعددة، ناقلات متعددة)،
  • مزيج منهم
• أشكال موجية مختلفة للمشغلين
  • شكل الموجة الجيبية
  • أشكال موجية أخرى
• التعديل الإضافي
  • FM خطي
  • FM الأسّي (يسبقه تحويل اللوغاريتم المضاد لواجهة CV/oct. للمركبات التناظرية)
  • مزامنة المذبذب مع FM

إلخ .

وكأساس لهذه الاختلافات، نقوم بتحليل طيف مشغلين (تركيب FM خطي باستخدام مشغلين جيبيين) على النحو التالي.

يتم التعبير عن الطيف الناتج عن تركيب FM باستخدام معدِّل واحد على النحو التالي: ^{[22] [23]}

بالنسبة لإشارة التعديل ، تكون إشارة الموجة الحاملة: ^{[ملاحظة 1]}${\displaystyle m(t)=B\,\sin(\omega _{m}t)\,}$

${\displaystyle {\begin{aligned}FM(t)&\ =\ A\,\sin \left(\,\int _{0}^{t}\left(\omega _{c}+B\,\sin(\omega _{m}\,\tau )\right)d\tau \right)\\&\ =\ A\,\sin \left(\omega _{c}\,t-{\frac {B}{\omega _{m}}}\left(\cos(\omega _{m}\,t)-1\right)\right)\\&\ =\ A\,\sin \left(\omega _{c}\,t+{\frac {B}{\omega _{m}}}\left(\sin(\omega _{m}\,t-\pi /2)+1\right)\right)\\\end{aligned}}}$

إذا تجاهلنا مصطلحات الطور الثابتة على الموجة الحاملة والمغير ، فسنحصل في النهاية على التعبير التالي، كما هو موضح في Chowning 1973 وRoads 1996، ص 232: ${\displaystyle \phi _{c}=B/\omega _{m}\,}$${\displaystyle \phi _{m}=-\pi /2\,}$

${\displaystyle {\begin{aligned}FM(t)&\ \approx \ A\,\sin \left(\omega _{c}\,t+\beta \,\sin(\omega _{m}\,t)\right)\\&\ =\ A\left(J_{0}(\beta )\sin(\omega _{c}\,t)+\sum _{n=1}^{\infty }J_{n}(\beta )\left[\,\sin((\omega _{c}+n\,\omega _{m})\,t)\ +\ (-1)^{n}\sin((\omega _{c}-n\,\omega _{m})\,t)\,\right]\right)\\&\ =\ A\sum _{n=-\infty }^{\infty }J_{n}(\beta )\,\sin((\omega _{c}+n\,\omega _{m})\,t)\end{aligned}}}$

حيث هي الترددات الزاوية ( ) للناقل والمغير، هي مؤشر تعديل التردد ، والسعات هي دالة بيسل من النوع الأول ، على التوالي. ^{[ملاحظة 2]}${\displaystyle \omega _{c}\,,\,\omega _{m}\,}$${\displaystyle \,\omega =2\pi f\,}$${\displaystyle \beta =B/\omega _{m}\,}$ ${\displaystyle J_{n}(\beta )\,}$${\displaystyle n\,}$

• التوليف الإضافي
• رقاقة النغمة
• مُركِّب رقمي
• الموسيقى الالكترونية
• بطاقة الصوت
• شريحة صوتية
• موسيقى العاب الفيديو

• مقدمة إلى إدارة المرافق، بقلم بيل شوتستادت
• دروس FM
• أسرار التوليف، الجزء 12: مقدمة حول التعديل الترددي، بقلم جوردون ريد
• أسرار المزج، الجزء 13: المزيد عن التعديل الترددي، بقلم جوردون ريد
• مدرسة بول ويفينز للسينث: الجزء 3
• تركيب FM بما في ذلك موقع المرآة لتحليل المشغل المعقد لتركيب FM، 2019